基于单片机的全数字信号发生器设计

真诚为您提供优质参考资料，若有不当之处，请指正。基于单片机的全数字信号发生器设计设备技术网时间:2010-4-13来源：电子技术网 作者：工业设备常用频率量信号作为采集量，如使用光电编码器采信数据，当调试使用频率信号的设备时，由于机械等部份还未动作，无法采集信号，因此需要使用信号发生器。对于在工业现场使用的设备，其要求与实验室设备并不相同，如果直接使用实验室中所用的标准信号发生器，往往会觉得其体积过大、价格太高、使用较麻烦等。工业现场使用的设备，其绝对精度要求并不高，关键要稳定可靠，便于携带和使用。一、性能分析这个项目的目标是替代工业现场的频率采样装置，典型的如光电编码器。通过调查，确认最终要制作的信号发生器的性能指标如下：频率范围：01Hz，以0.1Hz步进，1500Hz，以1Hz步进；波形：矩形波或方波均可；精度：频率值的相对误差不超过1%；功能：（1）信号发生，信号发生器以给定的频率输出信号；（2）脉冲个数计数，仪器可对本身已发出的脉冲个数进行计数；（3）设定值可存储，每次上电自动调出前次设定值。二、初步设计在确定了性能指标后，可以进行初步设计，考虑其显示、操作等方面的要求。1、显示部分待设定的频率值最高为500HZ，只要3位数码管即可；要求对输出脉冲计数，虽未给出要求的计数值，但3位数码管最大仅能计到999，似乎太少了一些，再考虑到该仪器以后的扩展，如希望以后能加一些高端点频（600、700、800、900、1000、2000、5000、10K等），需要更多的数码管显示，因此最终选择5位数码管显示。2、键盘部分键盘有很多方案可供选择，如工业品中常用的三键或四键方案，当然也可以用多键（如市售有一些标准的12或16键键盘）等，经过反复比较，考虑到易制作、易使用等等诸多因素，最终将键的个数确定为5个。键盘操作方案是仪器易用性的很重要的一个方面，这并非仪器的关键部分，但键盘、显示程序的工作量往往占据整个设计的很大的一部份。对键盘设计，重要的是要确定各按键功能，描述出各键的具体操作。本仪器的键设计如下：1工作状态描述由转换键切换两种状态（1）显示设定的频率值（2）显示脉冲个数值2键定义切换键增加键减少键开启/停止键清除键3键操作描述切换键：切换两种工作状态增加和减少键：在显示设定频率值时按，按增加键、减少键设定频率，范围为0.1500HZ，每按一次增加键，设定值加1，如果按着键不放，稍后进入连续状态，设定值快速增加；按减少键，设定值减1，如果按着键不放，稍后进入连续状态，设定值快速减少。当频率设定值小于1以后，每按一次增加或减少键，设定值增加或减少0.1。开启/停止键：开始/停止信号发生清除键：用于清除当前脉冲个数的计数值。4工作过程开机后，信号发生器自动运行，有信号输出，按下“开启/停止”键，则信号发生器停止工作，没有信号输出，再次按下“开启/停止”键，则信号发生器又开始工作，继续输出信号。信号灯用于指示信号发生器工作还是停止，当有信号产生时，信号指示灯闪烁，信号发生器暂停工作时，信号指示灯灭。三、硬件电路的设计在确定了性能指标、操作方案后，可以开始设计，首先要确定信号产生的方式。该信号发生器的绝对精度指标不高，但是其要求的最低频率低至0.1HZ，而最高分辨也要求达到0.1HZ，如果采用模拟技术难以达到，或需要付出较高代价才能做到。考虑到仪器的最高输出频率仅为500HZ，而且只需要提供要方波或矩形波，所以采用单片机做成全数字信号发生器。在有了这一设计思想之后，需要确定该方案是否可行，该方案准备采用单片机的定时器产生信号，由于定时器的定时时间只能是整数，因此，不可避免会在一些频率点上产生误差，为此，用Excel对计数值、真实频率值作了测算，部分表格如表1和表2所示，经过测算表明，当采用12M晶振时，绝对误差最大约0.12HZ（492Hz处），相对误差最大约0.024%（492Hz处），可以满足要求，因此决定采用这一方案。当然，这仅是理论值，考虑到单片机定时中断的响应时间等因素，实际的误差肯定要比这个计算值大，但是要达到1%的精度要求并不难，而其长期工作的稳定性取决于晶振的稳定度，并且晶振频率的变化引起的输出频率的变化也很微小，因此其长期工作稳定性也很好。以下是部份测算的表格，完整的表格在本期光盘Excel文件中。表1较高频率算法理论频率 t(ms) 真实频率 绝对误差 相对误差10 100000 10 0.00E+00 0.00E+0011 90909 11.00001 1.00E-06 9.09E-0812 83333 12.00005 4.00E-06 3.33E-0713 76923 13.00001 1.00E-06 7.69E-0814 71429 13.99992 -6.00E-06 -4.29E-0715 66667 14.99993 -5.00E-06 -3.33E-0716 62500 16 0.00E+00 0.00E+0017 58824 16.99986 -8.00E-06 -4.71E-0718 55556 17.99986 -8.00E-06 -4.44E-0719 52632 18.99985 -8.00E-06 -4.21E-0720 50000 20 0.00E+00 0.00E+00表1较低频率算法f(hz) t(ms) 次数 频率值 误差 相对误差0.1 10000000 5000 0.1 0.00E+00 0.00E+000.2 5000000 2500 0.2 0.00E+00 0.00E+000.3 3333333 1667 0.29994 -2.00E-04 -6.67E-040.4 2500000 1250 0.4 0.00E+00 0.00E+000.5 2000000 1000 0.5 0.00E+00 0.00E+000.6 1666667 833 0.60024 4.00E-04 6.67E-040.7 1428571 714 0.70028 4.00E-04 5.72E-040.8 1250000 625 0.8 0.00E+00 0.00E+000.9 1111111 556 0.899281 -7.99E-04 -8.88E-04在确定了信号发生的方式以后，综合初步设计中提出的一些技术指标要求，进一步确定具体的实施方案。根据以往的设计经验，显示部分由单片机的P0口与P2口直接驱动；数据存储则采用串行EEPROM；信号由单片机的一个I/O口输出，并经驱动后输出。经过上述的设计后，可以确定这个仪器的框图如图1所示。原理框图出来后，选择一款合适的机壳，然后综合考虑按键、数码管的安装方式，以便进行更详细的设计。数码管和按键必须安装在印板上才能安装到面板上，数码管与单片机的连线较多，5位数码管，需要13根线，再加上按键的连线共有19根，如果将单片机放在另一块板上，必然要用大量导线与键盘显示板连接，而大量的连线是我们不愿意做的，这不仅使得安装困难，而且线易折断造成故障，因此干脆将单片机也装在同一块板上，只留下电源和输出电路放在另一块板上，这样，两块板间只需3根引线即可，大大降低了装配困难，也减少了故障隐患。整个设计的原理图，如图2和图3所示。其中图2是主板图，提供了包括数码管显示驱动、键盘等在内的大部份功能。从图中可以看到，该电路主要由这样几部份组成：（1）数码管显示部份，由单片机及相关外围电路构成5位数码管显示电路；（2）按键部份，按设计共有5个按键；（3）EEPROM存储器，这里选择I2C接口的AT24C01A芯片；（4）一只LED指示灯；（5）输出管脚。以上分别需要单片机片机的13、5、3、1、1个引脚，因此，单片机共要用到23只管脚。引脚数量确定后，即可初步确定主芯片的型号，这里选用40引脚的AT89C51单片机。如果编程中发现内部资源（如片内RAM、ROM、定时器等）不够，可以更换为89C52等其他单片机，比较灵活。图3是电源、输出部分，从图中可以看出，仪器的输出接口采用两种方式，即集电极开路（OC门）方式和射极输出方式，其中OC门方式是很多以频率信号为输出的仪器的标准输出方式，如光电编码器、霍尔开关等。基于单片机的全数字信号发生器设计设备技术网时间:2010-4-13全数字信号发生器的硬件部分就介绍到这里，下一期将介绍程序的编写。图2本仪器的程序主要由键盘、显示程序、AT24C01A读写程序、信号产生程序等部分组成。以下对部分功能作一些分析。一、键盘程序本仪器需要调整的数值范围较大，因此，“增加”和“减少”键必须具有快速连加和快速连减的功能，否则调整速度太慢。这种键盘可以用多种方法来实现，关键在于设计一个正确的程序结构，图1是一种实现方法的流程图。图1流程图程序工作时，不断地扫描键盘，第一次扫描到有键按下后如常规键盘一样，进行键值处理，处理完毕，不等待键盘释放，直接退出键盘程序。当又一次执行到键盘程序，如果检测到键还被按着，就不再直接去键值处理程序，而是将一个计数器加1，直接返回主程序，如此循环，直到计数到一个定值（如500，表示键盘程序已被执行了500次），如果键还被按着，说明用户有连加（或连减）要求，程序即将计数器减去一个数值（如30），然后进行键值处理。这样，以后键盘程序每执行30次，就执行一次键值处进程序，实现了第一次启动时间较长，以后快速连续动作的要求。如果检测到键已被释放，则清除所有标志，将计数器清零，准备下一次按键处理。程序开始时定义了两个常量：Qdsj和Ljsj，如下所示const uintQdsj=500;/*与首次启动连加（减）功能的时间有关*/const uintLjsj=30;/*与连加（减）的速度有关*/这两个常量与第一次启动及连加、减的速度有关，具体数值应根据实际情况试验后确定。下面是部分键处理程序，注意其中这两个变量的使用。voidKey()/*键处理*/if(!KeyValue)无键按下，清除一切标志退出if(KeyMark)/*第一次检测到按键吗?*/KeyCounter+;/*不是第一次(KeyMark已是1了)*/if(Qdsj=KeyCounter) /*连续按着已有Qdsj次了*/KeyCounter-=Ljsj; /*减去Ljsj次*/ KeyProcess(KeyValue,1);/*键值处理*/elsereturn;/*如果按着还没有到Qdsj*/else /*第一次检测到有键按下*/ mDelay(10);/*延时10毫秒*/再次检测if(!KeyValue)清除一切标志并返回二、小数点的处理要在LED数码管上显示小数点，可以有两种选择，一种方式是在显示0.10.9时用小数显示，而在显示1500时不显示小数点，这种方式编程略麻烦一些；另一种是使用定点的方式显示小数点，即不论是在0.10.9Hz段，还是1500Hz段，均在倒数第二位点亮小数点，这种显示方式比较简单，本机采用了第二种方式。通常，用高级语言编程时，可以用浮点型数据来表示小数，但本程序并没有这样来处理。因为单片机的资源有限，而浮点型数据的表达方式与其他数据的表达方式很不相同，无论是存储还是运算，都相当占用资源，因而在单片机中能不用浮点型数据就尽量不要使用。这里我们将所有的频率设定值扩大10倍，即所要求的频率值是0.1500Hz，但在单片机内部用15000来表示。如果频率设定值小于10，每按一次键，频率设定值就加或减1，如果频率设定值大于等于10，每按一次按键就加或减10。例如，当前频率设定值为100，按一下“增加”键，该值就会变为110，相当于频率设定值由10变为11；如果当前设定值为9，按一下“减少”键，该值变为8，相当于频率值由0.9变到了0.8。在根据频率设定值计算定时常数时，只要将被除数扩大10倍即可，程序中是这样表示的： ltemp=1000000;ltemp*=10; /由于plsd被放大了10倍，故被除数也放大10倍在显示频率设定值时，点亮倒数第二位的数码管上的小数点，显示程序中有这样的程序行：if(Counter1=1) /如果当前正在显示倒数第二位时 if(!PlSl) /如果是要求显示频率DispCode=DispCode&0xbf;/*点亮小数点*/由于P0.6与小数点位相连，所以不论待显示的数是多少，该位被清零后，小数点就能被点亮。要将该位清零，只要将字形码与0xbf（10111111）相与即可。三、AT24C01A的读写AT24C01A芯片是具有I2C接口的EEPROM，由于89C51单片机没有I2C接口，因此，必须用I/O口模拟I2C时序。这里仅提供作者用C语言编写的接口程序，不对此作更多的介绍。使用这一接口程序，只要定义好写常数、读常数及根据硬件连线定义好三个引脚SDA、SCL和WP，然后直接调用读、写函数即可。#defineAddWr0xa0/*器件地址选择及写标志*/#defineAddRd0xa1/*器件地址选择及读标志*/sbitSda=P37;/*串行数据*/sbitScl=P36;/*串行时钟*/sbitWP=P35;接口程序提供了多字节的读、写函数，其中读函数需要用到三个参数：用于存放读出数据的数组，待读EEPROM的起始地址，字节数；写函数也要用到三个参数：用于存放待写入数据的数组，待写入EEPROM的起始地址，字节数。下面是这两个函数的用法参考：RdFromROM(Number,10,2);/从地址10H开始处读出2个字节，存入Numbre数组中。WrToROM(Number,10,2);/将Number数组中的2个字节写入EEPROM，地址从10H开始四、信号产生信号发生由定时中断0完成，在定时时间到之后，重置定时常数，接着判断究竟是较高频率还是较低频率，分别予以处理，如果是较高频率，直接取反输出端口即可返回，如果是较低频率，则要进行计数，并判断计数值是否到设定值，如果到了，则取反输出端口，并清零计数器，然后再返回，这部分程序如下：voidOutWave()interrupt1 /定时0中断用于波形输出 static uint Count; /较低频率时计数用TH0=CTH0; /重装时间常数TL0=CTL0;if(HighLow) /如果是较高频率 WaveOut=!WaveOut;Mczsl+; else Count+;if(Count=Plcs) WaveOut=!WaveOut;Count=0;Mczsl+; 其中Mczsl是脉冲输出个数的计数值。从程序中还可以看出，每次输出只能得到波形的一半，要么高电平，要么低电平，一个完整的波形需要两次输出才能完成。定时中断中所设定的定时常数，预设定计数值（Plcs）都由主程序根据频率设定值计算得到，根据前述原理，对于较低频率的信号和较高频率的信号采用两种不同的方法产生，对于较低频率的信号，定时常数是一个定值，通过改变预设定计数值来达到定时时间，而对于较高频率的信号，直接改变定时常数来改变定时时间。为此，在主程序中根据设定值的大小分别处理，如果设定值大于10Hz，那么是较高频率的算法，只要计算出设定频率值对应的时间，不难得到待设定值，程序中的处理方法是：ltemp=1000000; ltemp*=10; /由于plsd被放大了10倍，故被除数也放大10倍ltemp/=Plsd; /获得周期（单位微秒）ltemp/=2; /获得定时常数根据t=1/f，计算定时时间，单位是s，而我们所要求的定时时间单位是s，因此，首先让ltemp等于1000000，又由于Plsd变量在单片机内部被放大10倍，故再将该值扩大10倍，然后用ltemp为被除数，去除以Plsd，得到周期数。由于每次定时中断只能得到一半波形，因此定时数应该是周期数的一半，将周期数除以2，即得到了定时常数。显然，这里没有先计算时间到s，然后再换算为s，其目的也是为了避免小数运算。当所设定的频率值小于10Hz时，程序是这样处理的：CTH0=(65536-1000)/256; CTL0=(65536-1000)%256; /否则是在10HZ以下，定时器的定时常数是1msHighLow=0; Plcs=5000/Plsd; 首先将定时常数确定为1000s，然后将标志位HighLow置0，表示要进行较低频率的处理，最后计算出中断次数。中断次数这样来确定：用10000000/Plsd得到周期数，然后用这个值除以2000即得可，这时除以2000的原因同上述分析，即定时时间为1000s，最终得到的的周期是2000s。12 / 12